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Vom Fossil zum Roboter und zurück

Interdisziplinäres Forscherteam mit Beteiligung der HU erforscht rund 300 Millionen Jahre altes Fossil.

Orobates
Orobates pabsti Foto: Felix Sattler (HU Berlin) 

Ein internationales Forschungsteam hat in Kooperation der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) mit der Ècole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) die Bewegung eines frühen Landwirbeltiers erforscht. Die innovative Erforschung von Unsicherheitsfaktoren in der Simulationsstudie sowie ein Roboter-Nachbau des Fossils setzen methodische Maßstäbe und erlauben neue Einblicke in die Biologie des uralten Fossils. Heute wurde die Studie im Fachblatt nature veröffentlicht. Eine 3-D-Rekonstruktion des Wirbeltierfossils soll ab Ende 2019 auch in der Ausstellung der HU im Humboldt Forum zu sehen sein.

Erkenntnisse durch Rekonstruktion von Bewegung

John Nyakatura, Erstautor und Zoologe vom Exzellenzcluster „Bild Wissen Gestaltung. Ein interdisziplinäres Labor“ der HU untersuchte in enger Zusammenarbeit mit dem „Biorobotics Laboratory“ der EPFL die Fortbewegung des fast 300 Millionen Jahre alten Wirbeltierfossils Orobates pabsti. An der Studie waren darüber hinaus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Jena, Hamburg und London beteiligt. In einem entscheidenden Schritt der Studie wurde vom Schweizer Biorobotics Labor eine biomimetische Laufmaschine, OroBOT, gebaut, die viele Eigenschaften des Fossils berücksichtigt. Der Roboter demonstriert die simulierten Fortbewegungsmuster und ist in der Lage, die Fährten des Fossils Orobates zu erzeugen. Mit Hilfe des Roboters konnten verschiedene Bewegungsmuster systematisch getestet und hinsichtlich ihrer Plausibilität beurteilt werden. Sämtliche zu Grunde liegende Daten wurden zusammen mit den Ergebnissen veröffentlicht.

Orobates pabsti gilt als Schlüsselfossil für das Verständnis der Evolution der Landwirbeltiere. Er ist früher Vertreter einer erfolgreichen Linie von Amniontieren, die zu heutigen Säugetieren, Reptilien (inklusiver aller ausgestorbenen Flug- und Dinosaurier) und Vögeln geführt hat. Für die Studie konnte anhand der Bewegungsrekonstruktion erforscht werden, ob Orobates sich bereits effektiv an Land fortbewegen konnte, was bisher nur für spätere Amniontiere angenommen wurde. Dies wurde durch die neue Studie unterstützt, sodass der entscheidende Schritt der Unabhängigkeit vom Wasser nun einige Millionen Jahre früher angenommen werden muss.

Prof. Dr. John Nyakatura, Erstautor und Zoologe an der HU: „Mit Hilfe von High-Speed-Röntgenvideos und Kraftmessungen von unterschiedlichen Echsen und Salamandern konnten wir zunächst die Prinzipien der Bewegungsmechanik des Spreizganges untersuchen. Diejenigen mechanischen Eigenschaften, die von den heute lebenden Tieren geteilt wurden, konnten wir für die Rekonstruktion der Bewegung des Fossils zu Grunde legen“.

Erfolgreiche Forschungsergebnisse durch Kooperation der Universitäten

Die Untersuchung der lebenden Tiere wurde am Institut für Zoologie und Evolutionsbiologie der Universität Jena durchgeführt, die über eine der seltenen Hightech-Einrichtungen verfügt. Ein detailliertes 3-D Modell des fossilen Skeletts wurde hinsichtlich der zuvor erforschten Bewegungsprinzipien heutiger Tiere in Zusammenarbeit mit den Hamburger Wissenschaftsillustratoren Jonas Lauströer und Amir Andikfar animiert, sodass es in den fossil erhaltenen Fußspuren laufen konnte. „Diese Animation ist keine fertige Idee der Fortbewegung, sondern, ganz im Gegenteil, ein neuartiges Forschungswerkzeug, das uns hilft, verschiedene Variablen der Fortbewegung systematisch durchzuspielen und deren Plausibilität zu beurteilen“, erläutert Nyakatura. Die intensive Zusammenarbeit von Gestaltungsdisziplinen und Wissenschaften ist Programm des Berliner Exzellenzclusters sowie der Forschung von Prof. Nyakatura an der HU.

Weitere Erkenntnisse zur Einschätzung der Plausibilität der Bewegungsrekonstruktion des Fossils wurden durch eine dynamische Simulation gewonnen. Wissenschaftler der Biorobotics Gruppe in Lausanne optimierten den Bewegungsablauf hinsichtlich von Kriterien, die auch bei heutigen Tieren beobachtet werden können.

Die erforschten Daten können auf einer Webseite interaktiv manipuliert werden, wodurch Auswirkungen auf die Bewegung für interessierte Nutzer zugänglich gemacht werden.

An der Studie waren folgende Institutionen beteiligt:

  • Institut für Biologie, Humboldt-Universität zu Berlin, Berlin, Deutschland.
  • Bild Wissen Gestaltung. Ein interdisziplinäres Labor, Humboldt Universität zu Berlin, Berlin, Deutschland.
  • Biorobotics Laboratory, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Lausanne, Schweiz.
  • Structure & Motion Laboratory, Department of Comparative Biomedical Sciences, The Royal Veterinary College, North Mymms, Großbritannien.
  • Fakultät Design, Medien und Information, Department Design, Hochschule für Angewandte Wissenschaften, Hamburg, Deutschland.
  • Institut für Zoologie und Evolutionsforschung mit Phyletischem Museum, Ernst-Haeckel-Haus und Biologiedidaktik, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Jena, Deutschland
  • Knowledge Visualisation, Zürcher Hochschule der Künste, Zurich, Schweiz.

Weitere Informationen

Referenz zur Studie: Nyakatura, JA et al. 2019. Reverse-engineering the locomotion of a stem amniote. Nature 565, 351–355

Link zur Originalpublikation 

Informationen zur Studie, inklusive einem „media kit“ auf der Webseite der École Polytechnique Fédérale de Lausanne – EPFL, Schweiz: Interaktive Webseite der Studie

Medien zum Thema

Nature, Volume 565 Issue 7739, 17 January 2019: Robotic palaeontology

Tagesspiegel: Laufende Zeitmaschine, made in Berlin

National Geographic: Ancient animal walked tall, surprising scientists

Wired: A Crocodile-Like Robot Helps Solve a 300-Million-Year Mystery

Kontakt

Prof. Dr. John Nyakatura

Institut für Biologie, Humboldt-Universität zu Berlin
Exzellenzcluster „Bild Wissen Gestaltung. Ein interdisziplinäres Labor“

Tel.: 030 2093-6726
john.nyakatura@hu-berlin.de

Kontakt

Dr. Kamilo Melo
Biorobotics Laboratory
École Polytechnique Fédérale de Lausanne – EPFL, Switzerland

Tel.: +41-797179371

kamilo.melo@epfl.ch

Kontakt

Jens Wagner

Pressereferent
Humboldt-Universität zu Berlin

Tel.: 030 2093-2275/-12859
jens.wagner@hu-berlin.de

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